中频淬火电气控制系统设计

专 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 页

中频淬火电气控制系统设计

摘要：中频淬火是机械零件的生产过程必不可少的工序,它可以显著提高钢的强度和硬度,淬火的温度和升温速度及温度的稳定性将直接影响零件的残余内应力、强度、硬度和韧性配合的性能,因此淬火的温度稳定控制质量直接关系到整个零件的质量。本设计就是通过微机控制100KW淬火系统的温度，主电路采用交-直-交变频器，电流型并联谐振（8000HZ），控制电路采用AT89C51单片机来控制，主要过程是通过温度传感器将温度信号传送给信号放大电路，然后经模数转化送入单片机再经单片机显示和控制，从硬件到软件两方面实现温度的稳定控制。本设计具有接线简单、输出频率任意可调、功率因数高等优点。 关键词：

中频淬火 温度控制 变频器 AT89C51单片机 信号放大电路

Abstract: The medium-frequency quenching is an essential process for mechanical parts’ production , which can significantly improve the strength and hardness of steel. Quenching temperature and heating rate and temperature stability will directly affect the parts performance of the residual stress, strength, hardness and toughness, so the quality of quenching temperature stability control is directly influencing the quality of the entire part. This design is just through the computer system of 100KW to control its temperature, and the main circuit use AC - Direct - AC converter, current-mode parallel resonant (8000HZ),and control circuit use AT89C51 microcontroller to control, which the main process is through the temperature sensor signals transmitting to the signal amplification circuit. And then transformed into the microcontroller through the module and then displayed and controlled by the MCU, both from hardware to software to achieve temperature stability control. This design has the wiring simple, the output frequency of any adjustable, high power factor advantages.

专 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 页

Keywords:

IF quenching, temperature control, inverter, AT89C51 microcontroller, signal amplification circuit

专 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 页

目 录

1 引言????????????????????????1 2 总体方案设计思路??????????????????4 3 总设计方案的确定??????????????????5 3.1主电路的设计方案确定????????????????5 3.2控制电路的方案确定?????????????????10 3.3保护电路的选择???????????????????11 4主电路设计??????????????????????12 4.1主电路参数计算与设计????????????????12 5控制电路的设计????????????????????16 5.1单片机的设计????????????????????17 5.2调理电路的设计???????????????????20 5.3驱动电路的设计???????????????????20 5.4键盘及显示电路???????????????????23 6温度控制???????????????????????25 6.1温度检测电路设计??????????????????25 6.2冷却系统的确定???????????????????27 7软件设计???????????????????????30 7.1主程序流程图????????????????????30

专 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 页

7.2温度控制流程图???????????????????31 7.3 A/D转换器程序???????????????????32 结论??????????????????????????34 致谢??????????????????????????35 参考文献????????????????????????36 附录 程序清单?????????????????????38 附图 总设计电路图???????????????????

专 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 页

中频淬火电气控制系统设计

1引言

随着工业的发展，热处理是机械工业中十分重要的基础工艺，对提高机电产品内在质量和使用寿命，加强产品在国内外市场竞争能力具有举足轻重的作用。感应加热技术在汽车、拖拉机、发动机工业中得到广泛应用。

感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料（即工件）的内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热系统的基本组成包括感应线圈、交流电源和工件。根据加热对象不同，可以把线圈制作成不同的外形。线圈和电源相连，电源为线圈提供交变电流，流过线圈的交变电流产生一个通过工件的交变磁场，该磁场使工件产生涡流来加热。感应加热是伴随着汽车工业和拖拉机工业的诞生而起步的。由于其具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化和自动化等优点。

感应热处理具有加热速度快、节约能量、不氧化脱碳、不污染环境以及生产效率高等多方面优点，这些优越性为热处理工作者广泛认同，因此近十几年来发展很快。当然这一实际需求，也大大促进国产感应热处理设备的发展和技术提升。

中频淬火,就是将金属件放在一个感应线圈内,感应线圈通交流电,产生交变电磁场,在金属件内感应出交变电流,由于趋肤效应,电流主要集中在金属件表面,所以表面的温度最高,在感应线圈下面紧跟着喷水冷却或其他冷却,由于加热及冷却主要集中在表面,所以表面改性很明显,而内部改性基本没有。可以有很特殊的热处理效果[3，3]。

淬火工艺主要在汽车、拖拉机、发动机工业中得到广泛应用。在汽车制造中有200多种，近50%重量的零件采用感应加热淬火，例如曲轴、半轴、凸轮轴、刹车凸轮、转向节、变速导块槽口、气门调整螺栓，进排气阀端头等。其中东风汽车公司半轴的横向磁场加热淬火是最具代表性的先进技术。利用横向

专 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 页

磁场的矩形感应器实现了半轴表面和圆角的一次加热淬火，使生产效率提高数倍、半轴的抗弯扭疲劳强度提高10倍。具有故障报警、诊断功能、由计算机自动控制的半轴感应淬火自动生产线已多年稳定投入生产。我国汽车工业的感应热处理已达到国际先进水平。因此，对中频淬火进行研究将有重大的现实意义

[8，10]

。

我国感应加热技术的应用，起源于上世纪50 年代，感应加热技术几乎全

来自前苏联和捷克等国家，主要用于机床、纺机、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火方面，熔炼和透热方面用的较少。20世纪60年代，由于和苏联的关系破裂，我国走上了感应加热技术独立发展的道路。这段时间直到改革开放后，由浙大开发了第一台并联式晶闸管中频电源，并向全国推广。有关单位相继也生产了容量在几百kW，频率500 Hz～8 kHz的中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8～200 kHz之间的频率缺口。

感应加热电源真正大量应用于工业生产则是20世纪80年代后。近20 多年间我国在感应加热电源和感应加热领域发生了令人注目的变化，此阶段从德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家引进了数百套感应加热成套装置（含电源）。粗分类有：各种淬火设备及电源；透热设备及电源；高频钎焊设备；熔炼设备及电源；熔炼设备无心感应炉、有心感应炉。

20世纪90年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的英达感应加热公司，彼乐公司等，和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高，电源功率大，品牌全，炉子吨位大，生产线规模大，占据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高（国内同性能产品大约是其价格的1/10)，这才使技术落后于他们的国内厂家，有了一定的市场发展空间。

国内感应加热方面除了国外在国内的办事机构外，从地域上还分“南派”和“北派”技术和产品方面的竞争。“南派”以浙江大学为中心源，从技术和人事关系上衍生出浙江、上海、江苏一带的感应电炉公司，其代表有振吴、四达、兆力等公司，主导着南方的熔炼炉市场。“北派”是以西安交大、西安电炉研究所、西安重型电炉厂（现西安鹏远重型电炉厂）所在地西安为中心，衍

专 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 页

生出西安，洛阳，山东，河北，山西等地的电炉公司。仅西安市感应加热的公司就达百家之多，是名副其实的中国电炉设计、制造中心。这些厂家中比较有影响的有西安电炉研究所、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意机电制造有限公司、西安动化、博大、秦翔、华立等电炉公司。

感应加热的市场发展前景看好，据行内人士讲，西安的几个大的感应炉公司，在2006年、2007年的年产值均在几千万至一个亿之间，而且产值逐年度快速递增。其中电炉所、海意公司、机电所、动化公司等有多台感应炉出口第三世界国家。据证实，仅海意公司一家2006年就向俄罗斯，哈萨克斯坦等国出口2 t、3 t感应炉7台套。

为适应熔炼炉工艺中熔炼和保温工艺的同时需要，国内还开发出了双供电变频电源：一台电源同时输出功率到两台炉体线圈上，这样可使一台变频电源的功率能灵活的分配给两台炉体，即把一台电源的大功率分配给熔炼炉，余下小功率分配给保温炉。

两台炉的功率可自由互补的调整，整体不超过电源输出总功率，也可以同时将小功率输出到两台炉体用以保温。市场上称这种电源为DX中频电源，俗称“一拖二”中频电源。国内“一拖二”电源的电路结构是建立在逆变串联谐振电源的基础上的，前端电路是可控或不控的三相整流电路；中间是直流电路，由电容进行滤波；后端电路由两个独立的半桥串联逆变谐振电路进行逆变，输出两路输出频率和功率可各自调节的中频电压。“一拖二”中频电源功率器件有选晶闸管的，也有选IGBT的，这两种电路都有成熟产品在工业现场运行。这里特别要说明的是“一拖二”变频电源在国外主电路有两种形式：美国应达、比乐电炉公司开发的为串联谐振的“一拖二”；德国容克、ABP公司生产的是并联谐振的“一拖二”。单机容量功率一般在１MW到10 MW。“一拖二”电源尽管市场需求量不大，但很有卖点，是代表感应电炉公司电源开发能力的标志。

近年来，国外感应加热公司的一些新产品，例举如下：

(1)德国SMS Elotherm 公司（原AEG-Elotherm 公司）是国际上著名的感应加热设备制造商，我国进口的曲轴旋转淬火机床，从1966年半自动浸液式曲轴旋转淬火机开始→ 全自动曲轴淬火机→ 柔性全自动曲轴淬火机等，加上通

专 科 毕 业 设 计 第 8 页 共 页

用淬火机床有数十台之多。最近该公司又推出具有自动更换感应器的柔性曲轴淬火机，使设备更便于调整。

(2)美国应达公司近年推出固定加热曲轴颈淬火机床。它首先是功率高、时间短，工件不转动；其次淬火与回火工序在一台设备上进行，称为Sharp-C工艺。其感应器是分合型的，但不接触。

(3)美国Welduction公司前几年推出半环锁相工艺（SemiCycle Phase Locked），其感应器是特殊的，不但用于曲轴，并且用于凸轮轴等工件。

上述列举的一些新产品，国内应奋起直追，开发出高水平的产品。此外，在冶金工业，大功率的厚板感应加热装置等，目前仍依赖进口，国内应该进行开发，改变众多企业集中、重复在汽车工业、机械行业这一领域的现状。

总之，淬火技术的应用范围十分广泛，对工业发展起到很大的推动作用，工业中的各个领域都离不开淬火工艺的支持。 2 总体方案设计思路

晶闸管变频电路可以分为两大类：交-交变频电路和交-直-交变频电路，前者的特点是将50HZ的工频交流电变为一定频率的中频交流电，没有中间直流环节。这种变频电路的优点是效率较高，但电路复杂，目前应用极少。交-直-交变频电路的特点是有中间直流环节，通过整流电路先将工频交流电先整流成直流电，再通过逆变电路将它变成一定频率的中频电。这种电路具有结构简单，调试方便，运行可靠，效率高等优点，目前国内外应用较多。

本设计主电路采用交-直-交电流型变频器，逆变器采用电流型并联谐振（8000HZ），控制电路以单片机为中心，通过传感器控制工件的加热温度和通过驱动电路为整流和逆变的器件进行触发导通。如下图2.1所示：

三 相 全 控 整 流 滤波电 路 单 相 逆 变 负 载 驱动电 路 AT89C51 单片机 传感器 驱动电路 LED专 科 毕 业 设 计 第 9 页 共 页

图2.1 中频淬火设计框图

图2.1为中频电源主电路的框图。整流部分将工频交流电整流成脉动的直流电可以通过调节晶闸管的触发角来调节直流电压，从而调节负载电流，并用大的电感来将直流电流滤成比较平滑的波形。逆变部分是将直流电逆变为交流方波，并送入负载电路。负载电路是由感应器和电容器组成的并联谐振电路对工件进行加热。逆变电路输出的中频电流的频率受触发脉冲的控制。当频率接近并联电路的谐振频率时振荡电路阻抗很小，发生谐振，方波在并联振荡电路谐振的作用下波形变得接近正弦波。 3 总设计方案的确定

晶闸管中频电源主电路从原理上分为整流和逆变两部分。本文主要从这两点分析中频感应电源的工作原理，整流、逆变的工作过程。确定整体方案。 3.1 主电路的设计方案确定

主电路由整流、滤波、逆变、负载四部分组成，采用交直交变频电流谐振电路。它具有接线简单、输出频率任意可调、功率因数高等优点[3]。如图3.1

L1C4CAPQ8R11RES2F1FUSE1F2FUSE1F3FUSE1Q11R24RES2Q12R25RES2Q13R26RES2D1DIODESCRC9CAPSCRC10CAPSCRIGBTC11CAPIGBTD1DIODER?RES2CAPL?INDUCTOR1SCRSCRQ9R12RES2SCRC?C5CAPQ10IGBTR14RES2C6CAPINDUCTOR2D1DIODEIGBTD1DIODEABC 图3.1 主电路设计

3.1.1 整流电路的设计

整流，就是把交流电变为直流电的过程。其利用具有单向导电特性的器

专 科 毕 业 设 计 第 10 页 共 页

件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。

整流电路有多种分类方法，按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。

单相可控硅整流电路虽然简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。这种电路还会导致三相电源的不平衡对电网波形的影响较大，所以只用在小容量的设备中。

当整流负载容量较大或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。以及六相、十二相脉波可控整流电路等。

三相半波可控整流电路与单相电路相比较，整流电压脉动又要较小些，而且三相负载平衡，电路比较简单，在一定范围内得到广泛应用。但该整流电路变压器二次电流中含有直流分量，且每相只有1/3周期导电，利用率低。所以较大功率的三相整流电路常常采用三相桥式整流电路。

目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。这种电路在一个周期的换相次数比三相半波整流电路多一倍，即换相六次。整流变压器二次电流中不含有直流分量，利用率高。且这种整流电路的滞后时间为3.3毫秒，为三相半波整流电路的一半。三相桥式全控整流电路大多用于阻感负载和反电动势阻感负载供电[4]。

此外，还有六相整流电路，十二相整流电路等。它们的技术性能要比三相桥式的好，但它们用的晶闸管数量多，投资也多，经济性差。

综上所述，三相桥式全控整流电路较其他几种电路更符合本设计系统的要求，所以本设计采用三相全控整流电路。

专 科 毕 业 设 计 第 11 页 共 页

L1C4CAPQ8R11RES2Q9R12RES2SCRSCRC5CAPQ10R14RES2C6CAPINDUCTOR2ABCSCRRQ11R24RES2Q12R25RES2Q13R26RES2SCRC9CAPSCRC10CAPSCRC11CAP 图3.2 三相全控整流电路

整流电路的组成见图3.2，图中Ld为滤波电感，Rd是电源负载的近似等效电阻。现对全控整流桥的工作过程进行分析。

三相桥式整流电路在正常工作时，控制电路按给定的控制角，依次按照T1-T2-T3-T4-T5-T6的顺序分别向六个晶闸管发出触发脉冲，脉冲的相位依次相差60度。晶闸管在承受正向压降且有触发脉冲的情况下导通，在承受反向压降的情况下关断。由于触发脉冲与三相电压配合，使整流电路在任何时候都有两个晶闸管导通，电源形成导电回路，负载上的电压即为两相之间的线电压。三相的线电压经过倒换，依次在一个周期内六次加在负载上，形成脉动的直流电压。由于滤波电感很大，在任何控制角下晶闸管的导通角都是120°[14]。 3.1.2 逆变电路的选择

逆变电路将直流电逆变成所需的交流电，提供给负载使用。当交流侧接到电网时为有源逆变电路，当交流侧直接和负载相连时为无源逆变。因课题要求交流输出直接接负载，所以这里是无源逆变。感应加热电源根据补偿形式分为两种，并联谐振式(电流型)电源和串联谐振式(电压型)电源。

并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。通常需电流源供电，在感应加热中，电流源通常由整流器加一个大电感构成。由于电感值较大，可以近似认为逆变器输入端电流固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电流，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频率取决于器件的开关频率。

串联谐振式电源采用的逆变器是串联谐振逆变器，其负载为串联谐振负载。通常需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构

专 科 毕 业 设 计 第 12 页 共 页

成。由于电容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器件的开关频率。

串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联；

(1)串联谐振逆变器的输入电压恒定，输出电流近似正弦波，输出电压为矩形波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压－φ角。

并联谐振逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压 －φ角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。

(2)串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流己逐渐减少到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的晶闸管受反压的时间较长。

并联谐振逆变器在换流时，晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后还需加一段反压时间，因而关断时间较长。相比之下，串联谐振逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。

(3)串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长。至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。

串联谐振逆变器晶闸管暂时丢失脉冲，会使振荡停止，但不会造成逆变颠覆。而并联谐振逆变器晶闸管偶尔丢失触发脉冲时，仍可维持振荡。

(4)串联谐振逆变器并接大的滤波电容器，当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。但随着保护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带保护功能，串联谐振逆变器的保护不再是难题。

并联谐振逆变器串接大电抗器，但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。

(5)串联谐振逆变器感应线圈上的电压和补偿电容器上的电压，都为谐振逆变器输出电压的Q倍。当Q值变化时，电压变化比较大，所以对负载的变化适应性差。流过感应线圈上的电流，等于谐振逆变器的输出电流。

专 科 毕 业 设 计 第 13 页 共 页

并联谐振逆变器的感应线圈和补偿电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，则都是逆变器输出电流的Q倍。逆变器器件关断时，将承受较高的正向电压，器件的电压参数要求较高。

(6)串联谐振逆变器的感应加热线圈与逆变电源(包括补偿电容器)的距离较远时，对输出功率的影响较小。而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源(特别是补偿电容器)，否则功率输出和效率都会大幅度降低。

综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，本设计决定采用电流型并联谐振逆变器。如图3.3。

L1INDUCTOR2D1DIODEIGBTD1DIODEIGBTC?R?RES2CAPL?INDUCTOR1D1DIODEIGBTIGBTD1DIODE

图3.3 逆变电路

3.2 控制电路的方案确定

控制电路关系着整个系统工作的稳定性和可靠性，是该产品品质好坏的重要凭证，所以控制电路的选择至关重要。

单片机具有集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展，目前己渗透到人们工作和生活的各个角落，几乎无处不在。单片机最早是以嵌入式微控制器的面貌出现的。在嵌入式系统中，它是应用最多的核心器件。在计算机主导工业生产并且日益走进家庭生活的今天，从家用电器、工业控制、医疗仪器到军事应用，到处都有单片机的存在。单片机具有强大的信息采集和处理能力，完全能够胜任该系统所需，所以本方案采用单片机作为控制电路的核心。

专 科 毕 业 设 计 第 14 页 共 页

为使整流电路正常工作 ,且能平稳调节输出功率 ,要求单片机能对晶闸管进行准确触发。因此，单片机必须确定出交流电压的零点，以此找到?=0°的点，进而判断?等于其它值时所对应的位置，这就需要一个过零检测电路，在每一个输入电压等于零的点都给单片机一个信号，供单片机判断使用[7]。

此外，当负载两端出现过电压或过电流的状况时，还需单片机能及时动作，保护负载，这就需要电压及电流互感器对负载电压和电流进行采集，经A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，以供单片机进行分析判断，决定是否动作。若没有出现过压或过流的情况，则单片机仍按原程序进行；若出现了过压或过流的情况，单片机接到信号以后停止对整流电路的触发，关断主电路，同时启动报警电路，提示用户已出现电压或电流故障，请采取相关措施[8]。

为了方便用户根据实际情况选择适当的输出功率，键盘显示电路也是必不可少的部分。这样，用户可以通过显示器知道当前输出功率的大小，判断是否有必要调节，如有需要，通过键盘就能方便进行，使得该产品更加人性化。

本次设计的主控制芯片ATP89C51是8 位80C51 单片机的派生产品，它们在完全保留80C51 指令系统和硬件结构的大框架外，进行了多方面的加强、扩展、翻新和创新，在最大限度地利用原有的结构的方方面面，可以说做到了淋漓尽致[10，14]。

ATP89C51由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，故本设计选用此芯片。 3.3 保护电路的选择

中频电源起动、运行过程中, 由于负载短路、逆变电路换流失败等原因易造成三相全控桥经直流平波电抗器短路,此短路电流既流经整流电路也经逆变电路,对整流、逆变部分的晶闸管形成威胁,为使中频电源可靠运行, 还必须使电流、电压准确地限定在允许值上。因此必须设置有效的保护电路。常用的中频保护电路有过电流保护电路、过电压保护电路、网侧短路保护及晶闸管的过电压保护等。 3.3.1 过压保护

在装置中可能发生的过电压有两种情况：外因过电压和内因过电压。外因

专 科 毕 业 设 计 第 15 页 共 页

过电压主要来自雷击或者是系统中的操作过程等外部原因，主要包括：操作过电压和雷击过电压。内因过电压主要来自装置内部的器件开关过程。主要包括换相过电压和关断过电压。过压的保护电路多种多样，目前比较常用的作法是在晶闸管两侧并接过电压阻容电路,利用电容两端电压瞬时不能突变的特征, 吸收过电压, 而电阻的作用一是阻尼LC 电路振荡, 二是限制晶闸管开通损耗和电流上升率。一般采用无感电阻。其连接方式见图3.4。

图3.4晶闸管过压保护

3.3.2 过流保护

当装置发生故障或运行不正常时，可能会发生过流。过流分为过载和短路两种情况。在中频熔炼炉使用中,晶闸管装置出现的误导通或击穿,或逆变失败,会导致流过整流元件的电流大大超过其正常工作电流,即产生所谓过电流。过电流保护的任务,就是当电路一旦出现过电流,能在元件未烧毁之前,迅速地把过电流现象消除.采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较常用的措施。这里选用快速熔断器作短路保护（见图3.5），过载保护用软件实现。当系统发生短路时，电流急剧增大，快速熔断器马上熔断电路断开。

图3.5 快速熔断器

3.3.3 水冷系统

实际的系统中冷却装置必不可少，中频感应炉一般采用水冷。水冷系统主

要由多路进出水管组成，分布在系统的各个部分，对系统进行散热。要经常检查水管是否扎节牢固，及时清洗水管内壁的水垢，以保证足够的水流量，对老化以及有裂纹的水管要及时更换，冷却水池的脏要及时清除，避免堵塞水管。

专 科 毕 业 设 计 第 16 页 共 页

4 主电路设计

主电路由整流电路、逆变电路、负载三部分组成，其结构如图。

整 流 滤 波 器 逆 变 器 负 载

图4.1 交直交变频主电路框图

专 科 毕 业 设 计 第 17 页 共 页

电路中的整流器采用三相桥式全控整流电路，逆变器采用单向桥式逆变电路，负载为并联谐振形式，直流滤波环节为大电感滤波，以满足并联逆变器的输入要求。

4.1 主电路参数计算与设计

本设计采用三相全控桥式整流电路，它的输出电压调节范围大而移相控制角的变化范围小，有利于系统的自动调节，输出电压的脉动频率较高可以减轻直流滤波环节的负担。根据设计要求：额定输出功率P= 160KW，输出频率f=8000HZ，进线电压UIN=380V，取逆变器的变换效率?=0.88。 4.1.1 参数计算 (1) 功率计算

额定状态下不计谐波损耗时负载的输入功率P1为:

P1?（4.1）

PN?N

假定逆变器的效率为用?B表示，那么逆变器支流输入的功率为

Pd?P1?B?N

（4.2）

一般逆变器的效率较高，取?B= 0.88代入（4.2）得

Pd=

（4.3）（2）电压计算 整流输出直流电压为Ud?400V

整流侧输入的交流电压有效值(相电压)为

U2?PN?B?N=

160 =206.61(KW)

0.88?0.88Ud2.34cos?

（4.4）

其中?为整流器晶闸管的移相控制角。取?min?15?，代入（4.4）得

专 科 毕 业 设 计 第 18 页 共 页

U2?Ud400??1772.34cos?2.34?cos15?(V)

（4.5） （3）电流计算

输入逆变器的直流电流为

Id（4.6）

整流器交流侧输入的交流电流有效值为

Pd206.61?103=== 516.525(A)

400UdI2=0.816Id=0.816?516.525=421.48 (A)

（4.7）

4.1.2 元件的选取 (1) 整流变压器TR

变压器的副侧计算参数：U2?177V， I2=421.48 A 考虑电压波动，实选参数：U2?180V I2=430 A 所以，变压器的容量为

S=3U2I2=3?180?430=232.2 (KVA) （4.8）

此时，变压器副侧线电压有效值为 U2l=（4.9）

实选整流变压器TR： S=300 KVA，U1U2t?380V312V，??接线。 (2) 整流器晶闸管VT

（a）额定电流ITN按照三相桥式整流电路Id与IT之间的计算公式有

3U2=

3?180=311.76 (V)

ITN?KiVT0.368IdN（4.10）

其中kiVT是考虑过载等的安全系数，取KiVT=2.5 代入（4.10）得

专 科 毕 业 设 计 第 19 页 共 页

ITN?KiVT0.368IdN?2.5?0.368?516.525?475.2(A) （4.11）

（b）电压计算 三相桥式整流电路中晶闸管的耐压指标是按下式计算的

VRRM?VDRM?KuVT6U2（4.12）

其中KuVT为安全系数，一般取KuVT?2~3，这里取KuVT?2.5，代入（4.12）得

VRRM?VDRM?KuVT6U2?2.5?6?180?1102.05(V) （4.13）

实际选取整流晶闸管KP500 A，2600V.普通晶闸管六只。 (c) 平波电抗器的电感量Ld

对三相桥式整流器由参考文献查得计算Ld的公式为

(UdU2)?103U2Ld??2?fdSiId（4.14）

其中Si为电流脉动系数，一般取0.05～0.1，这里取Si?0.08

fd为整流器输出电流的最低谐波频率，取fd=300HZ 将Ud=400 V，U2=180 V，Id=516.525 A代入（4.14）得

U(Ud/U2)?103Ld=?2

SiId2πfd(400/180)?103180==5.1(mH) ?

0.08?516.5252π?300（4.15）

电抗器的额定电流为Id，饱和电流按下式计算Ib?KbIdA， 其中，Kd是饱和电流系数，取1.1

专 科 毕 业 设 计 第 20 页 共 页

则 Ib?KbId=1.1?516.525=568.18 (A) （4.16）

4.1.3 逆变器参数计算 （1）IGBT的选择

UFM?URM?2Ua（4.17）

其中 Ua?（4.18）

如果取电压的安全裕量为1.5，则可选正反向峰值电压为1200V的晶闸管一个作为逆变器的一个臂. IGBT的电流定额

已知逆变器的输出功率为P=160kw,则负载电流有效值Ia为

Ia?P,其中?为逆变器的效率,其值取为0.88,则

Uacos??

?Ud22?0.88???40022?0.88?504.95(V)

160?103 Id?504.95?0.90?0.88=400.1 (A)

（4.19）

由于是三相桥,故流过IGBT电流的有效值为

IT=

Id2=

400.12=282.9 (A)

（4.20）

所选IGBT电流的平均通态电流可按下式计算

ITa?K?IT，其中K?2~3（考虑过1.57载、浪涌等安全系数） （4.20）

所以可选择ITa?400(A)的IGBT。 （2）限流电抗器LT

专 科 毕 业 设 计 第 21 页 共 页

经验公式 LT?Uam[cos??cos(???)] 2?Id（4.21） 其中如果

did?20A?s，则 t??2?fId?2??103286.633?d20?100?5.4?id?t106（4.22） 取??6???30

因而 ?????2?25.?8（4.23）

cos??0.9 ??25.8

可得

L2?690.5?T?2?2??1000?223.06[cos6?cos(?30??6)]?17.6?H

（4.24）

（3）负载补偿电容器

(a) cos?L?0.2~0.5，取cos?L?0.35，补偿负载的无功功率为

Q1?Pcos?sin?L，满足换流须要的无功功率为 LQ2?Pcos?sin?（4.25）

电容器应提供的全部无功功率为

Q?Q1?Q2?P(tg?L?tg?)（4.26）

(b) 保护电路参数计算

2

.7

专 科 毕 业 设 计 第 22 页 共 页

进线阻容吸收保护的参数计算与元件选取： C1，R1按工程计算，查手册而来，在星形联结的三相电路中，

C1?10000??U2fU2(?f)

（4.27）

R1?0.3?U2(?)?I2

（4.28）

PR1?(0.25?I2)2?R1(W)（4.29）

I2——整流器交流侧输入线电流有效值（A） U2——整流器交流侧输入相电压有效值（V） f——电网那个频率

?——变压器的空载电流标幺值。一般取0.02～0.05，这里取0.02。 将I2=421.48A，U2=177V, f=50HZ代入得

C1=10000?0.02?421.48=9.5(?f50?177)

（4.30）

R1=0.3?177=6.6（?）

0.02?421.48（4.31）

2PR1=(0.25 ?0.02? 421.48)?6.6=29.27 (w)

（4.32）

电容器C1的耐压值应大于

2U21=

（4.33）

2?347?490.73（V）

专 科 毕 业 设 计 第 23 页 共 页

实选电容器C：10?f,500V 实选电阻器R：7?，30W 系统过流保护 快速熔断器保护 熔体的额定电流为

IFFN?KFF?I2（4.34）

KFF为安全裕量，?为系统过载倍数，取K=1.1，?=1.2 代入I=421.48

2FF

得

IFFN?1.2?1.1?421.48?556.35A （4.35）

实选熔体额定电流为556.35 A VT，VD的换相过电压阻容吸收保护 整流侧晶闸管的换相过电压阻容吸收保护 按工程计算方法，查手册有 （4.36）

Cb?(2~4)IT?10?3?f

Ucb?(1.5~2.0)Ud（4.37）

Rb?(2~4)?UdIT （V）

（

?

）

（4.38）

PRb?(0.5~0.7)Rb（4.39）

(W)

其中IT为晶闸管的额定电流，Ud是整流输出电压的平均值，代入IT?450A，

Ud?400V

专 科 毕 业 设 计 第 24 页 共 页

则

（4.40）

Ucb?(1.5~2.0)?400?600~800(V) Cb?(2~4)?450?10?3?(0.9~1.8)(?f)

（4.41）

Rb?(2~4)?400450?1.778~3.556(?)（4.42） 取Rb =3?

PRb?(0.5~0.7)?3?1.54~2.1(w) （4.43）

实选Cb=1.5 ?f，Ucb=700V，Rb =3? ，PRb =2(w) 逆变侧晶闸管的过电压阻容保护吸收R，C

由于整流侧和逆变侧有相同的额定电流，所以也取CN=Cb=1.5?f。

RN的取值按照下式计算

RN=（2 ~ 4）

UaI=（2 ~ T?504.95282.9=3.57 ~ 7.14? （4.44）

实选CN：1.5?F，1200V（在Ua上乘以2~2.5）；RN：5?，3W。

4）

专 科 毕 业 设 计 第 25 页 共 页

5 控制电路设计 5.1 单片机设计

作为控制部分的核心，单片机的选择很重要，而且有必要对它作一定的了解。

单片机具有集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展。单片机最早是以嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontroller)的面貌出现的。在嵌入式系统中，它是应用最多的核心器件。在计算机主导工业生产并且日益走进家庭生活的今天，从家用电器、工业控制、医疗仪器到军事应用，到处都有单片机的存在[5]。

目前世界上有很多单片机制造公司，如美国的INTEL. ATMEL, MOTOROLA和ZILOG公司;德国的SIEMES公司;荷兰的PHILIP公司等。他们相继推出了各种类型的单片机，其中INTEL公司推出的一种高性能8位单片机MCS-51系列单片机以优越的性能，成熟的技术和高性价比迅速占领了工业测控和自动化工程领域的主要市场，成为单片机领域中的主流产品。本设计中采用Intel（美国因特尔）公司的MCS-51系列的AT89C51单片机。

控制电路由MCS-51单片机、过零检测、驱动电路、调理电路、时钟电路、A/D转换器、键盘显示器组成。如下图所示：

主电路 过零检测 数据采集 时钟电路 单 片 机 温度显示 键盘控制 驱动控制

专 科 毕 业 设 计 第 26 页 共 页

图5.1 控制电路框图

单片机选用AT89C51,扩展一片24C256（用作键盘接口）和一片74HC138（用作显示器接口和三个LED灯）系统时钟电路和看门狗电路。

键盘与显示器是人机联系的接口，键盘由10个数字键和6个命令键组成，供操作者输入命令和参数。显示屏由四片LED段显示器和三个LED灯组成。四片显示器用来显示温度，三个LED灯用来指示启动、加温、冷却、结束。一个命令键用于选择淬火温度，另3个键分别为自动、启动、停止键。

过程量通道I/O包括包括模拟量输入，执行信号和开关量的输出。温度检测时通过以下过程来完成的；从被加热工件辐射出来的光，经过WDL-2型光电温度计进行光电耦合，产生一个电信号；再经过信号调理电路进行放大滤波，然后通过A/D转换器至CPU进行数字处理、标度变换，最后输出并显示温度[11，

15]

。

5.1.1 芯片的功能引脚介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机，如图5.2所示。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51的芯片管脚图如图5.2。

专 科 毕 业 设 计 第 27 页 共 页

1234567891011121314151617181920P1.0/TP1.1/TP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6(WR)P3.7(RD)XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPALE/PPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.04039383736353433323130292827262524232221

图5.2 AT89C51的结构

VCC：供电电压。GND：接地。 1) 数据地址口功能介绍

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个

专 科 毕 业 设 计 第 28 页 共 页

TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每

个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序（0000H-FFFFH），

不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当

EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于

施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 2) 振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3) 芯片擦除：

专 科 毕 业 设 计 第 29 页 共 页

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 5.1.2 A/D转换器设计

单片机只能识别数字信号，这就要求我们把采集的信号都要转换成数字的。ADC0809是广泛使用的模/数转换器。A/D转换电路是数据采集系统的核心电路。目前A/D转换电路的种类繁多，但大量投放市场的单片集成或模块A/D按其转换原理主要分为逐次逼近式、双积分式、量化反馈式和并行式A/D转换器。

双积分式A/D转换器转换精度高，抗干扰能力强、价格低，但转换速度较慢;并行式转换器速度快，但价格高;逐次逼近式A/D转换器，转换精度较高、速度快，大约在几微妙到几百微妙之间，但抗干扰能力相对弱。总的来讲逐次逼近式A/D转换器的性价比最高，应用最广泛，国内使用较多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801-ADCO805及ADC0816/0817和AD574等，本系统选用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模数转换芯片。

A/D转换器的主要技术指标为:

1)分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量，习惯上以输出的二进制位数或BCD码位数表示。

2)量化误差由A/D转换器的有限分辨率而引起的误差。

3)转换精度反映一个实际A/D转换器在量化值上与理想A/D转换器的差值。

4)转换速率指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。 AD0809的技术指标： 1）分辨率 8位； 2）总的不可调误差 ±1/2LSB；

专 科 毕 业 设 计 第 30 页 共 页

3）第一电源 5V；

4）温度范围 -40℃～+85℃； 5）低功耗 15mV-W； 6）变换时间 100μS；

7）按比例操作，或参考电压接直流5V，或接可调的模拟电压。

本设计主要是将负载的温度模拟信号转换为数字信号送给单片机，以达到对淬火加热温度的控制。在可不采用外部总线结构的单片机系统中（如由AT89C51组成的系统）。ADC0809的数据线直接与单片结构的P0口相连，并由单片机的P0口直接对ADC0809进行控制。 5.1.3 时钟电路的设计

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图5.3所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图5.3中外接晶体以及电容C2和C3构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30pF左右，晶振频率选6MHz[13]。 5.1.4 复位电路的设计

为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(I/O)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H, SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的[20]。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。

专 科 毕 业 设 计 第 31 页 共 页

图5.4中R1和C3组成上电复位电路，其值R取为1KΩ , C取为1μF。

U1C1AT89C5130pFY16MC2U2 X1X230pF

AT89C51VCCC3+RESETR110μF1K 图5.3 时钟电路 图5.4 复位电路 5.1.5 看门狗电路设计

看门狗电路主要是对主单片机AT89C51的保护，它能使CPU从死循环和弹飞状态中进入正常的程序流程。可以用来增强系统的抗干扰能力。软件抗干扰属于单片机系统的自身防御行为。如图5.5。

图5.5 看门狗电路设计

电路中芯片MAX813有以下四种功能；1在微控制器上电、掉电或电压降低时产生复位信号；2独立的看门狗输出端，当1.6秒内看门狗输入端没有触发时，输出端将变为低电平即产生复位信号3监视电源电压和电池电压是否降到1.25伏以内；4具有低电平手动输入端。在设计中其7脚接单片机的9脚，6脚接单片机的15脚，2脚和3脚分别接电源和地。

其工作电源电压为1.0到5.5伏阙值电压为4.65伏 看门狗电路主要特点：

专 科 毕 业 设 计 第 32 页 共 页

1) 复位信号在电源电压低至1.2伏时仍然有效。 2) 精确的电压监测功能。 3) 200毫秒复位信号宽度。

4) 独立的看门狗电路（1.6秒延时）。 5) 提供电源掉电或电池电压过低报警功能。

综上所述，此看门狗电路对单片机的保护很可靠，并且电路线路简单，所以本设计中用此电路来保护了单片机AT89C51。 5.1.6 报警电路设计

当主电路的负载端出现过电压或过电流的情况时，单片机除了停止触发脉冲外，还应有报警电路来提示人们采取相应措施。图5.6是一种报警器的电路，它由单片机的I/O口控制蜂鸣器发出报警声音，对单片机复位以后可使其停止蜂鸣[15]。

VCCBELL接P2口.6R40Q20

图5.6 报警电路

5.2 调理电路的设计

信号调理电路的功能是将传感器采集的非电量信号经过调理后变成可以测量的数字信号。如图5.7。

U10:1U10:27R21RES216CA139GNDR14RES2524CA139GNDC4CAPR19RES2R1112

图5.7 调理电路

RES25.3 驱动电路的设计

GND3+15VR20RES2+15VR12RES2 专 科 毕 业 设 计 第 33 页 共 页

电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。

简单地说，驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件可靠导通或关断。

驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般用光隔离或磁隔离。光隔离一般用光耦合器。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子分为电流驱动型和电压驱动型两类。

驱动电路设计即触发电路设计，在本设计中设计了晶闸管触发电路和IGBT触发电路。

5.3.1 晶闸管触发电路

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲,保证晶闸管在需要的时刻有阻断转为导通。

晶闸管是一种大功率的半导体器件，具有弱电控制，强电输出的特点，只需要很小的功率，就可以控制较大的电流。触发信号通常经脉冲变压器或光电耦合器隔离后，加到晶闸管上。这对安全操作特别有利。本设计使用脉冲变压器的触发电路。

脉冲变压器用于隔离主回路与触发电路，并把触发脉冲加到晶闸管的门极上。使用脉冲变压器，可以把脉冲电压升高或降低，改变脉冲的极性及使阻抗匹配。脉冲变压器在结构上与普通变压器相似，但其工作情况却有很大的区别，普通变压器初级加的是正弦电压，而脉冲变压器初级加的是周期脉冲电压，他们的电磁过程各有特点。

脉冲触发方式可以减少晶闸管门极的功耗以及触发信号放大电路的功耗。

专 科 毕 业 设 计 第 34 页 共 页

它是晶闸管较常用的触发方式。触发脉冲由单片机AT89C51的INT1端控制，当其为低电平时，光电耦合器有电流输出，是晶闸管T导通，脉冲变压器BM得出既有电流流过，次级输出触发脉冲，经DI后触发晶闸管。当其为高电平时晶闸管T截至，触发脉冲结束[12]。

触发脉冲的宽度由单片机社定。为了保证晶闸管的可靠导通，要求触发的脉冲具有一定的宽度。一般晶闸管导通时间为6?s，故触发脉冲的宽度应有6?s以上，一般区20-50?s，对于电感性负载，触发脉冲宽度还应加大，否则在脉冲终止时，主回路电流还未上升到晶闸管的维持电流以上，则晶闸管又重新关断，故脉冲宽度不应小于100?s，一般用到1ms，经闸管工作在开关状态，当晶闸管导通时，脉冲变压器铁芯中的磁通量线性上升，这个变化磁通也在次级绕组感应出电压。这是流过晶体管T的电流会很大。为了避免这种情况，可以用多个窄脉冲，也可以加大铁心届面积，是铁新的磁通量增加，不发生饱和现象[18]。如图5.8。

VCCU2OPTOISO1T1TRANS1D1DIODER1RES2R2RES2U1AT_P174072Q5NPNR4RES2R5RES2C1D3DIODECAPR6RES2+15VD2DIODER3RES2 图5.8 晶闸管触发电路

5.3.2 IGBT触发电路

IGBT是电压驱动器件, 有一个容性输入阻抗, 因此对IGBT 驱动电路有较高的要求。

1)驱动源内阻小, 栅极电压UGE 有足够陡的前后沿, 使IGBT 的开关损耗尽量小。

2)增加UGE, IGBT 的通态压降和开关损耗降低,但对负载短路的保护和安全不利, 实际选取UGE=15V

专 科 毕 业 设 计 第 35 页 共 页

3)关断时, 应使栅极电容迅速放电, 给UGE 加一负偏压, 使UGE=- 5 V。 IGBT驱动多采用混合集成驱动器.驱动电路中的M57962L内部具有退饱和和检测和饱和环节,当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT,并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为+15v左右，负驱动电压为-10v。如图5.9。

D?R24+15VLED4N25R29D11L1R28D12M57962LVCCR25+5VL2L3D13L4D14+15VC17C18-10V 图5.9 IGBT触发电路

5.4 键盘及显示电路

为了能够方便调整中频淬火的工作状态，以及了解中频淬火的工作情况，键盘显示电路是必不可少的一部分。对键盘/显示器接口的设计应满足两个要求：

1）功能技术要求； 2）可靠性高。

但系统不同，要求就不同，接口设计也就不同。对键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件的特点，合理分配软、硬件的比重。在应用系统设计中，一般都是把键盘/显示器放在一起考虑，该系统也是一样。 5.4.1 键盘

键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通讯。按键是一种常开型按钮开关，平时（常态）按键的两个触点处于断开状态，按下按键时它们才闭合（短路）。键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现并产生按键编号或键值的称编码键盘，如BCD码键盘、ASII码键盘等；靠软件识别的称非编码键盘[19]。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用

专 科 毕 业 设 计 第 36 页 共 页

的最多的是非编码键盘，本系统采用的也是非编码键盘。

单片机对非编码键盘的控制有以下三种方式[17]：

1）程序控制扫描方式：这种方式只有在单片机空闲时，才调用键盘扫描子程序，响应键盘的输入请求；

2）定时扫描方式：即每隔一定的时间对键盘扫描一次，通常利用单片机内的定时器，产生10ms的定时中断，CPU响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫描，以响应键盘输入请求。这种方式的主要优点是能及时响应键入的命令或数据，便于用户对正在执行的程序进行干预。但在大多数情况下，操作人员对正在运行的系统很少会干预，且人工键入动作极慢，所以单片机对键盘进行的都是空扫描，影响单片机的工作效率；

3）中断扫描方式：当键盘上有键闭合时产生中断请求，CPU响应中断，执行中断服务程序，判别键盘上闭合键的键号，并做相应的处理。这种控制方式提高了单片机的工作效率。

由于该系统对键盘的要求并不高，从系统且整体出发考虑，采用程序扫描方式比较合适且足以满足要求。

通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号会出现抖动。这是由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定的接通，在断开时也不会立即断开。因而，在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5～10ms。

按键稳定闭合的时间是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。按键抖动会引起一次按键被误读多次，为了确保CPU对按键的一次闭合仅做一次处理，必须去除抖动，在按键闭合稳定时读取按键的状态，并且必须辨别到按键释放稳定后再做处理。按键抖动可用软件和硬件两种方法去除[20]。 5.4.2 显示电路

在本设计中显示器主要用来显示温度，通过显示器的显示，就可以判断加热工件的程度，从而对整个淬火过程进行控制。

单片机系统中最常用的两种显示器是发光二极管显示器LED和液晶显示器LCD。尤其是LED显示器，它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出

专 科 毕 业 设 计 第 37 页 共 页

各种字符。单片机应用系统中通常使用8个发光二极管显示器，其中7个方光二极管构成7笔字型，另一个构成小数点。LED有动态显示和静态显示两种方式。静态显示适合显示的位数较少时，而当位数较多时，一般采用动态方式。另外动态显示所用的I/O口较少。所以本次设计采用动态显示电路。

6 温度控制

本章主要介绍单片机对淬火温度控制，单片机对温度控制也就是一个数据采集的过程，本设计主要是通过控制淬火线圈的温度来控制淬火加热的总过程，淬火是机械零件的生产过程必不可少的工序,它可以显著提高钢的强度和硬度,淬火的温度和升温速度及温度的稳定性将直接影响零件的残余内应力、强度、硬度和韧性配合的性能,因此淬火的温度稳定控制直接关系到设计的成败。 6.1 温度检测电路设计

温度检测时通过以下过程来完成的；从被加热工件辐射出来的光，经过光电传感器进行光电耦合，产生一个电信号；再经过信号调理电路进行放大滤波，然后通过A/D转换器至CPU进行数字处理、标度变换，最后输出并显示温度。

温度的检测也是一个温度数据采集的过程，数据采集是由传感器、信号调理电路、A/D 转换器及微型计算机等4个主要部分组成，数据采集的准确决定温度的稳定控制。本设计中对温度的检测采用了WDL-2光电温度计，它是一种非接触式传感器，其响应速度快、检测温度范围200℃-2000℃，供单片机对工件进行冷处理时提供启动信号。在量程范围内，光电传感器的输出信号为4～20mA，由500Q精密电阻取出电压信号，通过可调电阻的中心抽头送到P1.1、P1.0、P1.1是AT89C2O51内部比较器(P1.0、P1.1的第二功能)的两个输入端，调节与P1.0相连的可调电阻，使P1.0的电位为4V，工件在淬火过程中P1.0比P1.1电位高，内部比较器的输出P3.6为1，当淬火工件表面温度达到8OO℃时，P1.1电位比P1.0电位高，内部比较器的输出P3.6为0，单片机AT89C2O51立即启动内部定时器，定时2秒，同时P3.7输出高电平，固态继电器交流侧导通，喷水电磁阀动作(对曲轴进行快速冷却处理)，定时器溢出后，

专 科 毕 业 设 计 第 38 页 共 页

P3.7输出低电平，固态继电器交流侧截止，关闭电磁阀，热处理完成。

光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3 部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状。态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光电效应分为3 类:1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等；2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等；3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。

1) 测温范围标准型（ 1000～1600）℃（1000～1800）℃； 2) 基本误差：（1000～1800）℃ 之间 T≤（0.2～1.0）%t℃ ； 3) 环境温度：（20 ～80）℃，（20～100）℃；

4) 探测管规格：长度750～1800 mm，外径12～27mm，也可按用户需要选择长度和外径；

5) 传感器输出：标准0～70 mV（接配套数字仪表或微机）。

工业窑炉中的使用条件往往很恶劣，高温高腐蚀性介质对热偶保护管的损害性很大。有些行业中热偶保护管的使用寿命只有短短的半个月、一个月。热偶保护管一旦破损，偶丝马上就被烧断。因此,有许多厂家为了降低生产成本，

专 科 毕 业 设 计 第 39 页 共 页

用K 偶代替S偶，用S偶代替B偶。这种做法短时间可行，但是热电偶较长时间在极限温度中使用，其热电特性会发生变化，误差很大。有厂家做过实验，对长时间在极限温度中用过的K偶进行检定，发现其误差一般多达20～40℃。这么大的测量误差会对产品质量产生影响。使用HXW光电温度传感器就可以避免以上的损失。其探测管与探测器是通过连接件固定的，如果探测管损坏，只需换一根价格百元左右的管子就行，测温系统的长期消耗性成本可以大幅度降低。

6.2 冷却系统的确定

淬火加热设备在工作中产生大量的热量，若不及时散热，会严重影响设备的使用性能和寿命。 6.2.1 水冷却器换热原理

目前使用感应加热设备的用户因自身条件各不相同，对于冷却水系统重视不够，未按规定使用纯净水而使用井水或自来水，造成冷却部位结垢，局部温度升高严重影响电器元件的可靠性和使用寿命。研究和实际应用表明，单个半导体元件温度比正常工作温度范围每升高1O℃，系统的可靠性将降低5O 。因此电子技术的发展需要良好的散热手段来保证。这种散热手段要求具有紧凑性，可靠性，高效散热率，不需要维修等特点。纯净水冷却系统，往往配备板式换热器、二次循环水泵、水池、冷却塔等部件来冷却一次纯净水。二次冷却水消耗量大，板式换热器换热表面及冷却塔表面易结垢，严重地影响换热能力，清洗时费工费力，重新装配时容易出现泄漏问题。

为了解决上述弊端，采用新型空气冷却器一次换热，传热管形成高热流密度，由快速的空气流把热量散发到大气中去。纯净水在新型的空气冷却器和高频加热设备内闭路循环，被冷却系统长期不结水垢，不被异物堵塞，冬季在冷却水中加入防冻剂杜绝了水路被冻坏的故障。

1)对冷却水系统的要求

感应加热设备中的电子管、线圈、晶闸管、功率器件、感应器等元器件均需冷却水冷却。冷却水进水温度不宜超过35℃ ，出水温度不应超过60℃。水的pH值宜在5.6～8.5范围内，硬度≤60 mg/L，电阻率4kf2/cm 。冷却水系统应配置分水器、回水箱，以保证设备的正常供水和回水。分水器的进出口均需加装阀门、压力表等。分水器的出水管数量、口径由感应加热设备的进出水

专 科 毕 业 设 计 第 40 页 共 页

口及感应器、输出变压器等决定。分水器要加装泄水管以便调节水压。回水箱的出水管口径应大一些，以便保证回水畅通。感应加热设备的出水应该能直接观察到，为防尘可采用透明有机玻璃防护罩。不允许封闭水箱，因为封闭水箱容易造成回水不畅，危及到感应加热设备的安全。

电源冷却水和淬火用水不要共用一个水箱，以免杂质进入感应加热设备造成过早地损坏电器元器件。

2)水压的要求

a)输出功率为1O～60kW，水压0.1～2MPa； b)输出功率为100～200kW，水压1.5～3MPa； c)输出功率为250～500kW ，水压2.5～6MPa。

每次开机前应该查看水流、水压情况，若发现有异常现象应及时排除。 6.2.2 新型空气冷却器换热原理

空气冷却由翅片管束、喷淋系统、轴流风机、循环水泵及温控箱等组成。在设计过程中采用了1种强化传热技术，使得新型空气冷却器总传热系数比未采用该项技术提高了359/5以上。通过合理布局，从而使空气流道畅通，外掠气体分离点后移，旋涡压变小，明显地增强了外侧传热效果。同时降低风机功率，电耗随之减少，达到了节能效果。传热管束整体热浸锌技术，使得高频电阻焊接翅片管的热阻降至最低限度，同时增强翅片管抗腐蚀能力。冷却水系统为封闭循环，其热量传递到翅片管外表面之后被强迫对流的空气带走，实现冷却水散热的目的。这种空气冷却器是1次换热，不同于常规冷却水经过板式换热器进行二次水冷。

辅助措施：在环境温度较高和要求冷却水温度降得较低时，在风机和传热管束之间增设喷淋装置，可使传热管表面温度降至湿球温度，增大温差传热效果。温度实现自动控制，满足不同工艺过程对温度的要求。

空气冷却器的优点：

1) 节水 由原来的二次换热，水-水冷却，改为一次空气冷却，只需要少量的纯净水循环工作，避免感应加热设备冷却部位结垢，需要喷淋时仅消耗少量水。

2) 节电 采用大风量、小功率的轴流风机，耗电较低。温度实现自动控

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2f8g.html